Ultrakurze Lichtimpulse in Form eines Federspielzeugs bringen eine neue Wendung in die Photonik

Wir haben alle schon mindestens einmal mit einem Federspielzeug gespielt, aber wussten Sie, dass Licht auch wie eine Feder geformt werden kann?

Ein internationales Forscherteam unter der Leitung von Marco Piccardo, einem ehemaligen Forscher am Italian Institute of Technology (IIT) und jetzt Professor am Physik-Department des Técnico Lisboa und Principal Investigator am Engineering Institute for Microsystems and Nanotechnologies (INESC MN), hat ultraschnelle Optik und strukturiertes Licht genutzt, um im Labor eine neue Familie raumzeitlicher Lichtstrahlen, sogenannte Lichtfedern, zu synthetisieren.

Die Forschung wurde in Zusammenarbeit zwischen IIT, Politecnico di Milano und Técnico Lisboa durchgeführt. Die Entdeckung hat ein bahnbrechendes Potenzial für Anwendungen in der Photonik mit komplexem Licht, wie etwa zeitaufgelöste Mikroskopie (nützlich zum Beispiel zur Produktion von Filmen, die die Bewegung von Molekülen und Viren darstellen), Laser-Plasma-Beschleunigung und Freiraum (z. B. in der Atmosphäre) optische Kommunikation.

Die Forschung ist veröffentlicht in Naturphotonik.

In der ultraschnellen Optik ist es möglich, die Dauer extrem kurzer optischer Impulse zu verkürzen oder zu verlängern – bis hin zu einigen Femtosekunden oder Tausendstelmilliardstel Sekunden – oder sogar komplexe Impulse zu erzeugen, und zwar mithilfe einer Technik, die als Pulsformung bezeichnet wird. Eine zentrale Idee dieses Prinzips ist, dass kurze Laserpulse aus einer großen Farbpalette bestehen.

Wissenschaftler zerlegen einen Puls in seine einzelnen Farben, die dann separat manipuliert und neu kombiniert werden, was zu einer neuen Form des Laserpulses führt. Während die Pulsformung es ermöglicht, das Zeitprofil eines Pulses zu manipulieren, gibt es eine andere Reihe von Techniken – die sogenannte Wellenfrontformung –, die es ermöglichen, Licht eine räumliche Struktur zu geben. Lichtdesigner haben gelernt, diese beiden Methoden zu kombinieren, um Licht gleichzeitig in Raum und Zeit zu formen und so eine Brücke zwischen ultraschneller Optik und strukturiertem Licht für völlig neue raumzeitliche Anwendungen zu schlagen.

Ein Paradigmenwechsel in der raumzeitlichen Lichtformung

Melde mich jetzt in Naturphotonikhaben Piccardo und seine Mitarbeiter einen Paradigmenwechsel in der raumzeitlichen Lichtformung eingeleitet. Im Gegensatz zu herkömmlichen Formern, die verschiedene Farben entlang eines bunten Streifens trennen, verwendeten die Forscher nun eine spezielle Art von Beugungsgitter mit Kreissymmetrie, um einen runden Regenbogen aus Farben zu erzeugen.

Dies ist ein Experiment, das jeder zu Hause ausprobieren kann: Indem man eine alte CD-ROM mit einer Taschenlampe beleuchtet und mit der Handykamera ein Foto macht, wird ein runder Regenbogen eingefangen. Ersetzen Sie nun die Taschenlampe durch einen ultrakurzen Laserpuls und die CD-ROM durch ein mikrostrukturiertes Beugungsgerät, das im Nanofabrikations-Reinraum hergestellt wurde, und schon haben Sie die Hälfte des Experiments hinter sich. Der zweite Teil des Experiments besteht darin, mithilfe fortschrittlicher Hologramme die vielen Farben des Lichts in verschiedene optische Wirbel zu strukturieren, die wie ein Korkenzieher geformt sind.

„Dies führt zu einer neuartigen Familie räumlich-zeitlicher Lichtstrahlen, die sich auf einer ultrakurzen Femtosekunden-Zeitskala mit einer verdrehten und weitgehend anpassbaren Lichtstruktur entwickeln“, sagte Marco Piccardo. „Es eröffnet beispiellose Designmöglichkeiten in der Photonik, wobei viele spektrale und strukturelle Komponenten berücksichtigt werden müssen.“

Die Breitbandigkeit dieser neuen Lichtstrahlen stellt neue Herausforderungen für ihre Charakterisierung dar, die das Team durch die Entwicklung einer leistungsstarken Rekonstruktionstechnik namens Hyperspektralholographie gemeistert hat, die eine vollständige Tomographie der komplexen Raum-Zeit-Strukturen ermöglicht.

„Unsere Technik, die Holographie mit Fourier-Transformationsspektroskopie kombiniert, ermöglicht die vollständige Charakterisierung des räumlich-zeitlichen Profils komplexer Strahlen und ermöglicht radikal neue Anwendungen bei der Untersuchung von Licht-Materie-Wechselwirkungen“, sagte Giulio Cerullo, Professor am Politecnico di Milano und Co- Autor der Studie.

Das Team demonstrierte die beispiellose Kontrolle, die ihr Raum-Zeit-Former durch die maßgeschneiderte Anpassung vieler Eigenschaften der Lichtfedern ermöglicht. Eine wunderschöne Demonstration zeigt zwei solcher Federn, die in Raum und Zeit zusammen tanzen.

„Mit diesen Strahlen haben wir eine äußerst interessante Physik entdeckt, die uns zu einer ganz neuen Generation kompakter Beschleuniger und Lichtquellen im Plasma führen könnte. Diese Technik ist sehr spannend, weil sie verspricht, diese theoretischen Konzepte ins Labor zu bringen und große Fortschritte auszulösen.“ in der Laser-Plasma-Physik“, sagte Jorge Vieira, Professor am Técnico Lisboa und Mitautor der Studie.

Nachdem es nun endlich möglich ist, diese Lichtfedern völlig frei im Labor zu synthetisieren, wird der nächste natürliche Schritt darin bestehen, sie in Laser-Plasma-Experimenten einzusetzen.

„Dies ist ein sehr anspruchsvolles Ziel, aber die nanophotonischen Fertigungskapazitäten von INESC MN in Lissabon und die hervorragenden Plasmaforschungsgruppen von Técnico stellen ein ideales Ökosystem für die Verfolgung dieser ehrgeizigen Forschung dar“, sagte Piccardo. „Die Kombination dieser fortschrittlichen Raum-Zeit-Strahlen mit intensiven nichtlinearen Laser-Materie-Wechselwirkungen könnte wichtige grundlegende und technologische Auswirkungen haben.“